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UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA
Estado del Arte de Proyecto de Titulación
“Sistema de ensayo de Turbinas Eólicas”
Presentado por:
ROL USM:
Profesor guía:
Fecha:
Sebastiam Arredondo
201002006-1
Dr. Manuel Olivares
09 de Noviembre 2016
Proyecto de Titulación
TÓPICOS A TRATAR
Chile es un país con un enorme potencial energético renovable, esto hace que muchos países lo
observen con gran interés, sin embargo a nivel país no han sido mucho los estudios que se han
realizado del potencial eólico, esto básicamente se debe a la alta inversión inicial que requiere la
instalación de un sistema de energía eólica, lo que se constituye en el principal obstáculo para las
familias.
Sin embargo a largo plazo los sistemas eólicos, como las turbinas eólicas, representaran un
ahorro económico por que se evitaran los pagos de las facturas que cada mes reciben las
distribuidoras de energía eléctrica y al mismo tiempo se evitaran los apagones. En lo inmediato,
el mayor beneficio será al medio ambiente, pues contribuirá a reducir la contaminación.
Luego, es acá donde toma relevancia los sistemas eólicos de pequeña potencia, en otras palabras,
los pequeños aerogeneradores utilizados como prototipo para proveer de electricidad en lugar de
escaso alcance energético que cuentan con los siguientes elementos:
-Aerogenerador
-Controlador de cargas de baterías
-Banco de baterías
-Inversor a 220 V
Turbina Eólica o aerogenerador:
Un Aerogenerador, es un generador de energía eléctrica movido por la acción del viento sobre las
palas de una hélice. Se trata de un aeromotor que aprovecha la energía cinética del viento y la
transforma en energía eléctrica. Para ello, el eje de rotación de la hélice del aparato motor se
acopla, directamente o con interposición de adecuados mecanismos de transmisión, al eje de una
dinamo o de un alternador, según la instalación..
Los aerogeneradores de eje vertical VAWT (vertical axis wind turbine) son aquellos en los que el
eje de rotación del equipo se encuentra perpendicular al suelo. Tienen la ventaja de adaptarse a
cualquier dirección de viento y por ello se les llama penémonos (todos los vientos), los
aerogeneradores de eje vertical operan con vientos de baja velocidad donde difícilmente superan
las 200 rpm.
Aerogeneradores de eje horizontal también llamados HAWTs, (horizontal axis wind turbines),
son aquellos en los que el eje de rotación del equipo se encuentra paralelo al piso. Ésta es la
tecnología que se ha impuesto, por su eficiencia y confiabilidad y la capacidad de adaptarse a
diferentes potencias. A diferencia de los de eje vertical, hacen un mayor aprovechamiento de la
potencia del viento, pero necesitan un mecanismo de orientación para hacer frente a los cambios
bruscos en la dirección del viento.
Dado que la potencia eléctrica que genera los aerogeneradores varía con la intensidad y la
velocidad del aire, las instalaciones aisladas no conectadas a red deben contar con un sistema de
baterías acumuladoras de energía.
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Proyecto de Titulación
- Las ventajas de los aerogeneradores de eje vertical frente a los de eje horizontal, son:
a) No necesitan sistemas de orientación.
b) Los elementos que requieren un cierto mantenimiento pueden ir situados a nivel del suelo.
c) No requieren mecanismos de cambio de revoluciones, por cuanto no suelen emplearse en
aplicaciones que precisen una velocidad angular constante.
- Las ventajas de los aerogeneradores de eje horizontal respecto de los de eje vertical son:
a) Mayor rendimiento.
b) Mayor velocidad de giro (multiplicadores más sencillos).
c) Menor superficie de pala a igualdad de área barrida.
d) Se pueden instalar a mayor altura, donde la velocidad del viento es más intensa.
Baterías o Acumuladores:
Todo sistema de energía autónomo requiere de baterías para almacenar la energía producida
por la turbina eólica, siendo su función la de almacenar la energía producida por el aerogenerador
así como suministrar la energía acumulada a la carga (consumidor) si éste trabaja con corriente
directa.
Los tipos de baterías más comunes son los de plomo ácido (similares a las baterías de coche) las
cuales están compuestas por placas de plomo sumergidas en una solución de ácido sulfúrico con
agua. Caracterizándose por presentar una alta tolerancia a la carga continua y a las bajas pérdidas
por descarga. Son además relativamente baratas.
Controladores de carga de baterías
Los controladores o reguladores de carga, controlan el voltaje y la corriente de un panel solar o
generador eólico, entregados al acumulador o batería.
Un controlador de carga protege las baterías “bloqueando” la corriente desde los paneles solares
o generadores eólicos cuando las baterías están totalmente cargadas, evitando así la sobrecarga
debido a que al sobrecargar una batería de manera excesiva constantemente, el electrolito se
gasifica y las placas se dañan de forma irreversible, disminuyendo considerablemente su vida útil.
Otros controladores de carga tiene la capacidad de desconectar todas las cargas (luces, radio, etc.)
una vez que las baterías se encuentran en su límite mínimo de carga.
Inversor:
Un inversor tiene como función cambiar un voltaje de entrada de corriente directa a un voltaje
simétrico de salida de corriente alterna (generalmente 220v), con la magnitud y frecuencia
deseada por el usuario o el diseñador. Los inversores se utilizan en una gran variedad de
aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones
industriales para manejar alta potencia. Los inversores también se utilizan para convertir la
corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc, en
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Proyecto de Titulación
corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en
instalaciones eléctricas aisladas.
Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual se utiliza para
interrumpir la corriente entrante y generar una onda cuadrada, esta onda cuadrada alimenta a un
transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y
produciendo el voltaje de salida necesario.
Los inversores más modernos han comenzado a utilizar formas más avanzadas de transistores o
dispositivos similares, como los tiristores, los triac's o los IGBT's. Los inversores más eficientes
utilizan varios artificios electrónicos para tratar de llegar a una onda que simule razonablemente a
una onda senoidal en la entrada del transformador, en vez de depender de éste para suavizar la
onda.
TRABAJOS RELACIONADOS CON LOS TEMAS A TRATAR
En el tema de modelamiento del sistema para el prototipo de pequeños generadores,
existen trabajos que ya contienen versiones de lo que podría utilizarse en este proyecto. Tal es el
caso del modelo ET220 que corresponde a una mini estación eólica utilizada como experiencia
dentro de los laboratorios del departamento de la universidad, que permite de forma didáctica
interactuar con variables de energía y potencia relacionadas en la conversión de energía mecánica
a eléctrica.
Estudio del ET220
A través de un ventilador axial se genera flujo de aire con el fin de ejercer movimiento rotacional
en el rotor de la turbina. La velocidad del viento puede variar dependiendo de la velocidad
rotacional del ventilador, es por ello que se utilizan algunos sensores de medición de velocidad
para determinar el comportamiento del rotor
.
Equipamiento Disponible:
Se debe considerar que la turbina eólica posee un generador eléctrico, que convierte la energía
cinética del rotor a energía eléctrica. Dicha energía puede ser utilizada directamente en cargas
resistivas si es necesario.
Es por ello que nace la idea de implementar un panel de operaciones. Si la energía eléctrica
disponible no excede lo necesario para dos o más baterías, el controlador de carga puede cambiar
de salidas (output), para pasar la energía eléctrica a través de calor a dos resistores fijos, para no
dañar al generador eléctrico y dar seguridad al sistema.
La energía eléctrica almacenada en las baterías puede ser usada en cargas eléctricas, es por ello
que también se cuenta con la presencia de un inversor DC-AC en la salida. Dado el sistema
propuesto por el manual del sistema ventilador-turbina se propone utilizar dos lámparas como
medio de consumo (carga eléctrica) u otro medio externo de consumo como un calentador
(Heater).
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Proyecto de Titulación
Cabe destacar que el diseño de la unidad completa no logra alimentar la red eléctrica.
Se presenta el siguiente diagrama que representa lo acontecido:
Figura 1: Esquema Control para ensayos de turbinas eólicas.
Para luego llevarlo al panel de control con el fin de lograr llevarlo a un modelo similar al de la
Figura 2:
Figura 2: Modelo Panel de control final
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Estudio de Banco de Pruebas de Ventilador Radial
Cabe destacar que dicho ventilador integrado en el ET220 será simulado de forma análoga al
ventilador utilizado en el laboratorio de termo fluidos del departamento de mecánica de la
universidad Técnico Federico Santa María, que es regulado por un variador de frecuencia
implementado en el mismo laboratorio dado un estudio anterior relacionado con un banco de
pruebas de ventilador Radial del ex -alumno Aldo Claudio Osorio Alvarado. Este hace énfasis a
la rehabilitación mecánica de dos ventiladores, motores, poleas y correa junto al
acondicionamiento para banco de ensayos con la implementación de variador de frecuencia,
ducto ensayos e instrumentos de medición. Por lo que su estudio nos brinda dichos elementos
mecánicos ya restaurados y listos para lograr simular el viento que excitara el aerogenerador
estudiado. Dichos equipos cuentan con motores trifásicos marca ASEA de origen sueco que se
encontraban operando sin mayor problema.
Figura 3: Disposición General Del Banco de Prueba
Los motores en las condiciones iniciales no tenían dispositivos de control eléctrico (puesta en
marcha), es por esto que se les proporciona a uno de ellos un variador de frecuencia con fines
académicos y al otro un conmutador estrella-triángulo para permitir una partida más suave
evitando alzas de consumo que puedan causar daño a la instalación eléctrica del suministro, y así
como también proteger al mismo motor.
Junto con el estudio del ET220 y los elementos mecánicos restaurados y en buen funcionamiento
se considera la idea fundamental del proyecto que es instrumentar e integrar un sistema de control
para ensayos de turbinas eléctricas, a través de un PLC, por lo que el uso de sensores será
imprescindible a la hora de llevar las variables para ser visualizadas en el panel de control.
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Sensor Velocidad:
Se debe medir la velocidad del flujo de aire antes de la turbina y luego de esta, es por ello que se
deben localizar dos sensores ópticos de velocidad antes y después de la turbina, se estima un
rango de 0-25 m/s, aunque los rangos de operación dependen del ventilador axial utilizado y la
turbina eólica utilizada (datos que deben ser medidos para determinar el sensor apropiado):
Además se debe medir la velocidad del rotor de la turbina para ser llevado a dicho panel de
control.
Figura 4: Localización de sensores de velocidad del viento y rotor Turbina
Sensor de Voltaje:
Se debe medir el voltaje en ciertos puntos de control, los rangos operan según el conversor
posterior al generador integrado en la turbina eólica (lo que depende exclusivamente del modelo
de turbina eólica a utilizar) y los 12 Volts correspondiente a las baterías utilizadas.
Sensor de Corriente:
Según lo observado en el controlador de carga (convertidor) los rangos de operación de corriente
estimados van desde los 5-20 [A] , que son aceptables a la hora de requerir otra medición de
componentes como led o lámparas.
Se abre la posibilidad de integrar otros sensores respecto a los intereses del profesor del
departamento de Mecánica Alex Flores
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BIBLIOGRAFÍA
[1] ET 220 ENERGY CONVERSION IN A WIND POWER STATION ,Energy & Environment,
Gunt Hamburg.
[2] Juan Carlos Serrano Collazo. “Desarrollo de un banco de ensayos para la evaluación de las
prestaciones de Aereogeneradores de pequeña potencia”,Universidad Politécnica de Cartagena,
2011.
[3] Miguel Angel Parra Muñoz . “ Energía Eólica” ,Sede Concepción, UTFSM,2009.
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